Une caméra infrarouge

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Submitted on 18 Dec 2020

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Une caméra infrarouge

Isabelle Ribet

To cite this version:

Isabelle Ribet. Une caméra infrarouge. Photoniques, EDP Sciences, 2020, pp.50-52. �10.1051/pho-

ton/202010550�. �hal-03083245�

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L’ infrarouge est un domaine spectral très large, cou- vrant les longueurs d’onde comprises entre 0,8 µm et 300 µm. Trois sous- bandes spectrales, correspondant aux fenêtres de transmission atmos- phérique, s’avèrent particulièrement intéressantes pour les applications mentionnées ci-dessus : la bande SWIR (pour ShortWave InfraRed, comprise entre 1 et 2.5 µm), la bande MWIR (pour MidWave InfraRed, comprise entre 3 et 5 µm) et la bande LWIR (pour LongWave InfraRed, comprise entre 8 et 12 µm).

ANATOMIE

D’UNE CAMÉRA INFRAROUGE On retrouve dans une caméra in- frarouge les mêmes éléments que dans un caméscope numérique : un

objectif, une matrice de détecteurs (appelée FPA pour Focal Plane Array) et des cartes électroniques de pilotage et de remise en forme des signaux.

Mais l’analogie s’arrête là. En effet,

l’objectif est réalisé avec des matériaux spécifiques à l’infrarouge, tels que le germanium (Ge) ou le séléniure de zinc (ZnSe). La matrice de détecteurs, quant à elle, doit utiliser un autre ma- tériau absorbant que le silicium, qui n’est plus sensible au-delà de 1,1 µm.

Les semiconducteurs candidats ne manquent pas, d’où l’existence d’un nombre important de filières techno- logiques, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients.

Les caméras infrarouges sont utilisées dans des domaines très variés: surveillance, déperditions thermiques,

vision industrielle, domotique, voire même détection de personnes fiévreuses dans le contexte de crise sanitaire actuel… Pour couvrir des besoins aussi variés, il existe sur le marché tout un éventail de produits commerciaux, allant du petit module de vision thermique pour

smartphone (poids ~100g et prix ~200€) à la caméra refroidie très haute performance (poids de plusieurs kilos, prix allant jusqu’à plus de 100.000€).

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UNE CAMÉRA INFRAROUGE

Isabelle Ribet

1

ONERA-DOTA, 91761 Palaiseau cedex – France,

IOGS, 91120 Palaiseau – France

https://doi.org/10.1051/photon/202010550

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Figure 1.

Exemples de caméras infrarouge commerciales : a)

module pour smartphone ; b) caméra thermique

compacte portable ; c) caméra thermique refroidie

hautes performances. Crédit photo : © FLIR.

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PRINCIPALES FILIÈRES DE DÉTECTEURS INFRAROUGE On distingue deux grandes familles de détecteurs infrarouge : les détec- teurs quantiques et les détecteurs thermiques.

Détecteurs quantiques : Dans les dé- tecteurs quantiques, l’absorption d’un photon induit une transition électro- nique. Les alliages de semiconduc- teurs les plus utilisés sont : l’InGaAs (sensible entre 0,9 et 1,7µm (bande SWIR), l’InSb (sensible entre 3 et 5µm (bande MWIR)), les multipuits quan- tiques GaAs/AlGaAs (sensibles autour de 9 µm (bande LWIR)), les super-ré- seaux (sensibles en bande MWIR et/

ou LWIR) ou encore l’HgCdTe (sen- sible, selon sa composition, en bande SWIR, MWIR et/ou LWIR). Pour obte- nir l’ensemble des pixels qui consti- tuent le circuit de détection (CD), ces matériaux peuvent être utilisés dans une structure de type photovoltaïque (photodiode) ou à barrière. Une fois le signal électrique généré, il doit être lu et remis en forme : c’est le rôle du circuit de lecture (CL), réalisé en si- licium et en technologie CMOS. La connexion mécanique et électrique entre le CD et le CL, constitués de se- miconducteurs différents, constitue une étape technologique complexe appelée hybridation.

Elle peut par exemple être réalisée par l’intermédiaire de microbilles d’indium (voir Fig. 2). L’une des particularités des détecteurs quan- tiques est que la plupart d’entre eux nécessitent d’être refroidis pour s’af- franchir du courant d’obscurité (cou- rant prenant naissance en l’absence d’éclairement incident et limitant la dynamique et le rapport signal à bruit). La température de fonction- nement requise dépend de la bande spectrale considérée : de la tempéra- ture ambiante à 200 K en bande SWIR, de 150 K à 80 K en bande MWIR, et de 80K à 50 K en bande LWIR. Ce refroi- dissement est généralement obtenu grâce à une machine à froid (voire avec un simple élément Peltier pour les températures de fonctionnement les plus élevées). Cela complexifie la

mise en œuvre de ces détecteurs, mais permet en retour d’accéder à de hautes performances.

Détecteurs thermiques : Les dé- tecteurs thermiques constituent la deuxième grande famille de dé- tecteurs infrarouge. Leur principe de fonctionnement est différent, puisque c’est l’échauffement induit par le flux de photons incidents sur une fine membrane qui fait varier un paramètre physique du maté- riau la constituant (par exemple, la résistance électrique dans le cas des microbolomètres). Contrairement à leurs concurrents quantiques, ils ne nécessitent pas de refroidissement (certains sont stabilisés en tempé- rature par un élément Peltier ou TEC (pour ThermoElectric Cooler).

Même si leurs performances sont en constante évolution, elles restent un peu en retrait face aux détecteurs quantiques. En revanche, les détec- teurs thermiques sont plus petits, plus légers, et donc plus faciles à in- tégrer dans une caméra.

CRITÈRES DE CHOIX

D’UNE CAMÉRA INFRAROUGE Le premier critère à prendre en compte est le format du FPA, qui peut aller de 80 × 60 pixels (modules de première génération pour smart- phones) à plus de 1000 × 1000 pixels (caméras hautes performances).

Ces formats restent bien inférieurs à ce qui se fait dans le domaine du visible où on dispose aujourd’hui de matrices de plusieurs centaines de millions de pixels. Cela est directe- ment lié aux difficultés de réalisa- tion technologique des détecteurs infrarouges. Le nombre de pixels requis dépend de l’application : par exemple, si on veut faire l’image d’une zone de 0.5m × 0.5m avec une résolution millimétrique, il faudra un format supérieur à 500 × 500 pixels.

Notons que pour une caméra don- née il est généralement possible de choisir entre plusieurs objectifs, de longueurs focales différentes. Une fois la matrice de détecteurs fixée, c’est en effet la longueur focale qui détermine le champ total vu par la caméra (souvent appelé FOV pour Field Of View, et exprimé en degrés).

Se pose ensuite la question de la bande spectrale : SWIR, MWIR ou LWIR ? Il est important de com- prendre que l’origine du rayonne- ment n’est pas la même dans ces trois bandes : en SWIR, le signal infrarouge vient majoritairement de la réflexion de l’éclairage ambiant, comme dans le visible. Le contraste observé dans une image SWIR provient donc des différences de facteur de réflexion, et les images sont assez similaires aux images noir et blanc données par un appareil photo numérique, Figure 2.

Exemple de bloc détecteur refroidi (Daphnis MWIR

de Lynred), avec en insert l’architecture d’un FPA

quantique. Crédit photo: © Lynred.

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à part quelques inversions de contraste parfois spectaculaires (les cheveux et la végétation apparaissent blancs).

La bande SWIR peut également être intéressante pour sa robustesse en conditions de visibilité dégradées (ap- plications marines par exemple). Dans les bandes MWIR et LWIR (infrarouge dit « thermique »), le signal infrarouge vient majoritairement de l’émission propre des objets. Il est donc direc- tement lié à leur température, ce qui permet de faire de la thermographie infrarouge. La loi du corps noir prédit que les objets à température ambiante émettent un maximum de rayonne- ment dans la bande LWIR, alors que la bande MWIR est, en principe, mieux adaptée à des scènes contenant des points chauds (feux de forêt, départ de missile…). Attention tout de même à la transmission atmosphérique en bande LWIR, qui sera vite dégradée en présence de vapeur d’eau. Mais sur- tout, ne pas oublier que le choix de la bande spectrale impactera aussi les conditions de mise en œuvre (besoin en cryogénie)… et le prix !

Les performances d’une caméra thermique sont généralement éva- luées à travers sa NETD (pour Noise Equivalent Temperature Difference ou différence de température équi- valente au bruit), qui est la plus petite différence de température qu’il est possible de distinguer. Les caméras thermiques atteignent des NETD de 20–40 mK, contre 15–30 mK pour les

caméras quantiques. Il est important de souligner que la NETD correspond à une mesure relative (différence de température) et ne représente pas la justesse avec laquelle il sera possible de faire une mesure de température absolue. Cette dernière est en effet plus complexe et nécessite de prendre en compte le fond instrumental. C’est la raison pour laquelle l’utilisation de caméras thermiques pour détecter les personnes fiévreuses n’est pas aussi simple qu’il y paraît, et requiert généralement l’utilisation d’un corps noir d’étalonnage dans le champ de la caméra (voir Fig. 3).

Pour les applications mettant en jeu des phénomènes rapides, la ca- dence image est également un pa- ramètre de première importance.

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Les cadences typiques des caméras non refroidies vont de 30 Hz à 60 Hz, contre 30 Hz à 1 kHz pour les modèles refroidis. Ces dernières bénéficient souvent d’un mode fenêtrage, qui peut permettre d’augmenter la ca- dence d’acquisition (mais en perdant en résolution).

Selon les applications, d’autres critères peuvent entrer en ligne de compte, notamment la taille, la masse et la puissance électrique consommée (SWaP en anglais, pour Size, Weight and Power). À ce niveau, l’avantage est clairement aux filières non refroidies, qui proposent les caméras portables les plus compactes. Si la caméra doit être intégrée dans un environnement sévère (essais en vol, par exemple), il faudra également porter attention à l’indice de protection (IP). Enfin, bien évidemment, reste le critère du prix : comptez de quelques centaines d’euros à 30 000 € pour une caméra non refroidie, et de 20 000 € à plus de 100 000 € pour une caméra refroidie.

Figure 3.

Depuis 2003, des caméras thermiques

sont utilisées dans les aéroports pour repérer

des personnes fiévreuses.